JP5942067B2 - Method and apparatus for detecting and managing fermentation state of fermentation medium by ultrasonic irradiation - Google Patents

Method and apparatus for detecting and managing fermentation state of fermentation medium by ultrasonic irradiation Download PDF

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Description

本発明は、超音波照射を利用して発酵媒体の発酵状態を検知及び管理する方法その装置に関するものであり、更に詳しくは発酵槽内の発酵媒体における超音波伝搬時間を利用して該発酵媒体の発酵状態を検知し、それに基づいて発酵媒体に照射する超音波のレベルを制御して発酵媒体の発酵状態の管理を行うことを可能とする超音波照射による発酵媒体の発酵状態の検知及び管理方法その装置に関するものである。本発明は、発酵媒体の種類に制限されることなく当該発酵媒体の発酵状態を検知し、かつ発酵の状態を管理して安定的に発酵食品を製造することが可能な超音波照射を利用した発酵媒体の発酵状態の検知及び管理方法とその装置に関する新技術・新製品を提供するものである。 The present invention relates to a method and apparatus for detecting and managing the fermentation state of a fermentation medium using ultrasonic irradiation, and more specifically, using the ultrasonic propagation time in the fermentation medium in a fermenter. detects the fermentation state of the medium, the detection of the fermentation state of the fermentation medium by ultrasonic irradiation by controlling the ultrasonic level of irradiating the fermentation medium makes it possible to manage the fermentation conditions of the fermentation medium and on the basis thereof The present invention relates to a management method and its apparatus. The present invention utilizes ultrasonic irradiation capable of detecting a fermentation state of the fermentation medium without being limited to the type of the fermentation medium and managing the state of fermentation to stably produce a fermented food . The present invention provides new technologies and new products related to a method and apparatus for detecting and managing the fermentation state of a fermentation medium .

食品製造の技術分野において、食用微生物の生育、代謝などを制御する外部因子として、主に、温度、圧力などの示強変数が検討されている。しかし、食品微生物の生育、代謝については、操作因子の種類が少なくて制御が難しく、食用微生物の安定的な生育、代謝による機能発現には、食品製造過程で常に注意が必要とされる。   In the technical field of food production, strong variables such as temperature and pressure are mainly studied as external factors for controlling the growth and metabolism of edible microorganisms. However, the growth and metabolism of food microorganisms are difficult to control because there are few types of operating factors, and attention must always be given to the stable growth of edible microorganisms and the functional expression by metabolism in the food production process.

例えば、醸造の場合を例にとると、醸造製品の安定生産と品質向上に欠かせない重要課題は、製麹工程と仕込工程に関与する麹菌、酵母を如何にうまく増殖させ、働かせ、かつ制御するかにあり、新たな外部因子の検討と、その利用による発酵の制御技術の開発が強く求められている。近年、圧力、通電処理、音波などの物理的因子による反応制御の研究開発に関心が高まっており、その開発、研究は、世界中で試みられている。   For example, taking the case of brewing as an example, the key issues essential to the stable production and quality improvement of brewed products are how well the koji molds and yeasts involved in the koji making and preparation processes grow, work and control. Therefore, there is a strong demand for the examination of new external factors and the development of fermentation control technology using them. In recent years, there has been an increasing interest in research and development of reaction control using physical factors such as pressure, energization treatment, and sound waves, and development and research have been attempted around the world.

一般に、発酵過程で、菌体とそれを取り囲む媒体との境界層は、菌体内外の物質移送の障壁となる上に、発酵生成物による拮抗的阻害が起こる確率を高めると考えられている。一方、超音波が媒質に与える影響には、熱、振動効果、圧力変動などが想定され、特に、超音波の振動効果により、菌体又は媒質が振動し、菌体とそれを取り囲む媒体との境界層の極小化が期待される。また、超音波による圧力変動が、菌体にストレスを与えて、菌体の増殖、代謝の促進につながる可能性もあると考えられる。   In general, in the fermentation process, the boundary layer between the microbial cells and the medium surrounding the microbial cells is considered to be a barrier to mass transfer inside and outside the microbial cells and to increase the probability that antagonistic inhibition by the fermentation product occurs. On the other hand, the influence of ultrasonic waves on the medium is assumed to be heat, vibration effect, pressure fluctuation, etc. Especially, the bacterial body or medium vibrates due to the ultrasonic vibration effect, and the bacterial body and the medium surrounding it. Minimization of the boundary layer is expected. In addition, it is considered that pressure fluctuation caused by ultrasonic waves may give stress to the bacterial cells and lead to the growth and metabolism of the bacterial cells.

発酵食品、例えば、伝統発酵食品や、その製造過程においては、麹菌や、酵母、乳酸菌など、様々の食用微生物が関与している。食用微生物の増殖、代謝は、発酵食品の品質に大きな影響を与えるため、発酵過程に関与する麹菌や、酵母、乳酸菌などの食用微生物を如何にうまく増殖させ、働かせ、その増殖、代謝を好適に制御するかは非常に重要な課題となっている。そして、発酵過程における課題として、発酵の安定性と生産効率の向上、生産の管理と調整システムの確立、効率的な設備投資、生産規模の大小に適応できる、簡便、かつ低コストで、汎用性のある新たな発酵技術、設備の開発などがあげられている。   Various edible microorganisms such as koji molds, yeasts, and lactic acid bacteria are involved in fermented foods such as traditional fermented foods and their production processes. The growth and metabolism of edible microorganisms has a significant effect on the quality of fermented foods. Whether to control is a very important issue. And the challenges in the fermentation process include improving fermentation stability and production efficiency, establishing production management and adjustment systems, efficient capital investment, and adapting to the scale of production, simple, low cost, and versatile. Development of new fermentation technology and equipment with

一般に、超音波は、20kHz以上で人間には聞こえない音である。超音波の効果は、該超音波が媒質に与える影響として、熱、圧力変動、振動効果などが考えられる。超音波の振動効果により、例えば、発酵槽内の菌体又は媒質が振動し、発酵媒体の拡散を促進する可能性が想定される。菌体の細胞膜には、刺激受容体など様々なレセプターが局在すると考えられているため、低レベルの超音波照射による圧力変動が、何らかの受容体を介し又は直接、細胞内小器官や機能タンパクに影響を与えて、菌体の増殖、代謝の促進につながる可能性が想定される。   In general, ultrasonic waves are sounds that cannot be heard by humans at 20 kHz or higher. As the effect of the ultrasonic waves, heat, pressure fluctuation, vibration effect, and the like can be considered as the influence of the ultrasonic waves on the medium. Due to the vibration effect of ultrasonic waves, for example, the possibility that the bacterial cells or medium in the fermenter vibrate and promote the diffusion of the fermentation medium is assumed. Since various receptors such as stimulating receptors are thought to localize on the cell membrane of the bacterial cells, pressure fluctuations due to low-level ultrasonic irradiation may cause intracellular organelles and functional proteins via some receptors or directly. May affect the growth of cells and the promotion of metabolism.

従来、超音波照射技術の発酵への応用に関して、先行技術文献には、例えば、糖質原料からアミノ酸、ペプチド、ビタミン類及び核酸関連物質を製造する際に、糖質原料、例えば、白米液化液に酵母を加えて発酵させた醪又はその圧搾、ろ過後の残渣に、超音波を照射することにより、発酵した醪に生成されるグルタチオンの生成量を大幅に増加させることができ、更に、アミノ酸、ペプチド、ビタミン類及び核酸関連物質などの生理活性物質を生成することができることが記載されている(特許文献1)。   Conventionally, regarding the application of ultrasonic irradiation technology to fermentation, prior art documents include, for example, when producing amino acids, peptides, vitamins and nucleic acid-related substances from carbohydrate raw materials, such as sugar raw materials such as white rice liquor. The amount of glutathione produced in the fermented koji can be greatly increased by irradiating ultrasonically the koji fermented with yeast added to the koji or its pressed and filtered residue. It is described that physiologically active substances such as peptides, vitamins and nucleic acid-related substances can be produced (Patent Document 1).

また、他の先行技術文献には、米糠、又は玄米粉を原料とする乳酸発酵液の製造法において、得られた発酵液に超音波を当てることにより、米糠や玄米の悪息や悪味が著しく軽減された乳酸発酵液が得られることが記載されている(特許文献2)。   In addition, in other prior art documents, in the method for producing a lactic acid fermentation broth using rice bran or brown rice flour as a raw material, the bad breath and bad taste of rice bran and brown rice are obtained by applying ultrasonic waves to the obtained fermentation broth. It is described that a significantly reduced lactic acid fermentation broth can be obtained (Patent Document 2).

また、他の先行技術文献には、原料となるセラミド類組成物に、浄化水、ミネラルを添加して混合し、次に、このセラミド類組成物混合液に、麹菌、酵母、クエン酸菌、乳酸菌、酢酸菌を含む麹菌を加えて発酵させ、得られたセラミド類組成物発酵液に有機酸を混合して35℃〜45℃の温度に保持して熟成する際に、磁気雰囲気下において超音波振動を加えながら撹拌して流動させ、熟成して有機酸発酵させることが記載されている(特許文献3)。   In addition, in other prior art documents, purified water and minerals are added to and mixed with the ceramide composition as a raw material, and then mixed with this ceramide composition mixture, koji mold, yeast, citric acid bacteria, When fermented with koji molds containing lactic acid bacteria and acetic acid bacteria and mixed with an organic acid in the ceramide composition fermented liquid and kept at a temperature of 35 ° C. to 45 ° C., it is super It is described that stirring and flowing while applying sonic vibration, aging and organic acid fermentation (Patent Document 3).

また、他の先行技術文献には、超音波などの振動エネルギーによる、気泡の放出により溶存酸素を低減させ、嫌気呼吸、すなわち酸素以外の無機化合物を電子受容体とする生物を活性化させ、発酵により有機化合物を電子受容体とする生物を活性化させ、例えば、乳酸菌、酵母などの増殖速度を向上させることが記載されている(特許文献4)。   In addition, other prior art documents reduce the dissolved oxygen by releasing bubbles by vibration energy such as ultrasonic waves, anaerobic respiration, that is, activate organisms that use inorganic compounds other than oxygen as electron acceptors, fermentation It is described that a living organism having an organic compound as an electron acceptor is activated to improve the growth rate of, for example, lactic acid bacteria and yeast (Patent Document 4).

また、他の先行技術文献には、浄化水に、イオン化ミネラル液を添加し、直径が50μm以下の微細気泡を発生させ、更に25〜30kHzの超音波を照射して微細気泡に物理的刺激を与えて超微細気泡水を調製すること、上記イオン化ミネラル液である澱粉、穀類と種子と卵殻を含む混合原料に水を加え、50〜100℃に加熱して澱粉をα化した後、30〜40℃に保温して麹菌を加えて複合発酵させること、それらにより、生物に対する活性作用などの機能、効果を飛躍的に向上させることが記載されている(特許文献5)。   In another prior art document, an ionized mineral liquid is added to purified water to generate fine bubbles having a diameter of 50 μm or less, and further, ultrasonic waves of 25 to 30 kHz are irradiated to physically stimulate the fine bubbles. To give ultrafine air bubbles water, add water to the mixed raw material containing starch, cereals, seeds and eggshell, which is the ionized mineral liquid, and heat the starch to 50-100 ° C to gelatinize the starch, 30-30 It is described that the temperature is kept at 40 ° C., and koji molds are added and subjected to complex fermentation, thereby dramatically improving functions and effects such as an active action on living organisms (Patent Document 5).

また、他の先行技術文献には、周波数20KHzの超音波により、米酒(Rice wine)の熟成時間をかなり短縮でき、その効果が酒原料によって異なることが記載されている(非特許文献1)。   Further, other prior art documents describe that the aging time of rice wine can be considerably shortened by ultrasonic waves with a frequency of 20 KHz, and the effect varies depending on the sake raw material (Non-Patent Document 1).

また、他の先行技術文献には、リボフラビン(ビタミンB2)を生産するための、Ecomthecium ashbyii発酵において、超音波照射により、最大乾燥菌糸体重量に達する所要時間が短縮したことが記載されている(非特許文献2)。   In other prior art documents, it has been described that the time required to reach the maximum dry mycelium weight was shortened by ultrasonic irradiation in the fermentation of Ecomthecium ashbyii to produce riboflavin (vitamin B2) ( Non-patent document 2).

また、他の先行技術文献には、ワイン、ビール、日本酒などの発酵において、30mW/cmの弱い超音波照射により、発酵時間を従来の50〜64%に短縮できることが記載されている(非特許文献3)。 In addition, in other prior art documents, it is described that fermentation time can be reduced to 50 to 64% of the conventional fermentation by weak ultrasonic irradiation of 30 mW / cm 2 in fermentation of wine, beer, sake, etc. Patent Document 3).

その他、先行技術として、超音波を照射し、食品微生物の菌体の増殖や代謝生成物の生成を増大させる超音波による食用微生物の増殖方法が知られている。しかし、この方法は、産業上の実用的な容量の発酵媒体に適用する場合には、大容量の発酵媒体に適合する超音波照射の方法を開発する必要がある。   In addition, as a prior art, there is known a method for growing edible microorganisms by ultrasonic waves that irradiates ultrasonic waves to increase the growth of bacterial bodies of food microorganisms and the generation of metabolites. However, when this method is applied to an industrially practical volume of fermentation medium, it is necessary to develop a method of ultrasonic irradiation suitable for a large volume of fermentation medium.

更に、先行技術として、超音波の音速から発酵による凝固の程度を把握する、超音波によるヨーグルトの発酵工程をモニタリングする方法が知られている。この方法では、水を入れて計測した信号とヨーグルトを入れて計測した信号の位相差から音速を求めていることから、水の計測が必須であり、また、恒温槽内での計測を前提としており、水やヨーグルトの温度が変化した場合は、計測ができなくなる。   Furthermore, as a prior art, there is known a method of monitoring the fermentation process of yogurt by ultrasonic wave, which grasps the degree of coagulation by fermentation from the speed of sound of ultrasonic wave. In this method, the speed of sound is obtained from the phase difference between the signal measured with water and the signal measured with yogurt. If the temperature of water or yogurt changes, measurement will not be possible.

特開平7−16096号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-16096 特開平8−280341号公報JP-A-8-280341 特開2009−100725号公報JP 2009-100725 A 特開2009−190018号公報JP 2009-190018 A 特開2009−226386号公報JP 2009-226386 A 特願2011−010287号Japanese Patent Application No. 2011-010287

Chang et al.(2002). The application of 20 kHz ultrasonic waves to accelerate the aging of different wines. Food Chemistry,79,501−506Chang et al. (2002). The application of 20 kHz ultrasonic waves to accelerate the different of wines. Food Chemistry, 79, 501-506 Dai et al.(2003). Low ultrasonic stimulates fermentation of riboflavin producing strain Ecemothecium ashbyii. Colloids and Surfaces B:Biointerfaces,30,37−41Dai et al. (2003). Low ultrasonic stimulates fermentation of riboflavin producing strain Ecesthecium ashbyii. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 30, 37-41 Matsuura et al.(1994). Acceleration of cell growth and ester formation by ultrasonic wave irradiation. Journal of Fermentation and Bioengineering,77(1),36−40Matsuura et al. (1994). Acceleration of cell growth and ester formation by ultrasonic wave irradiation. Journal of Fermentation and Bioengineering, 77 (1), 36-40 食品と技術、技術解説、「超音波によるヨーグルト発酵工程モニタリング」(2008−10)Food and Technology, Technical Explanation, “Yogurt Fermentation Process Monitoring by Ultrasound” (2008-10)

このように、従来、先行技術として、超音波を利用した発酵技術の開発例が幾つか報告されているが、これらの技術は、小容量〜大容量の発酵媒体に対して超音波を照射して安定して発酵食品を製造するための実用化可能な技術としては未だ十分とはいえないものであった。そこで、当技術分野においては、産業上の実用的な容量の発酵媒体に対して、超音波を均一に効率良く照射して発酵媒体の発酵状態を検知し、かつ発酵食品の発酵の状態を管理して安定的に発酵食品を製造することが可能な新しい超音波を利用した実用化可能な発酵媒体の発酵状態の検知及び管理方法とその装置を確立することが強く要請されていた。 As described above, several examples of development of fermentation technology using ultrasonic waves have been reported as prior art, but these technologies irradiate ultrasonic waves on small-volume to large-volume fermentation media. It has not yet been sufficient as a practically usable technique for producing a fermented food stably and stably. Therefore, in this technical field, the ultrasonic fermentation is uniformly and efficiently applied to industrially practical fermentation media to detect the fermentation status of the fermentation media and manage the fermentation status of the fermented food. Therefore, there has been a strong demand to establish a method and apparatus for detecting and managing the fermentation state of a practical fermentation medium using a new ultrasonic wave capable of stably producing a fermented food.

本発明は、このような状況の中で開発されたものであり、1)発酵槽内において小容量〜大容量の発酵媒体に超音波を均一に照射することが可能な装置、2)発酵槽内の発酵媒体における超音波伝搬時間を利用して発酵媒体の発酵状態を検知する方法、上記2)に基づいて、発酵媒体に照射する超音波の強度や照射・非照射のON・OFFを制御して発酵媒体の発酵状態を管理して安定的に発酵食品を製造することが可能な新しい超音波を利用した発酵媒体の発酵状態の検知及び管理方法とその装置を提供することを目的とするものである。 The present invention was developed in such a situation, and 1) an apparatus capable of uniformly irradiating ultrasonic waves to a small-volume to large-capacity fermentation medium in a fermenter, and 2) a fermenter. The method of detecting the fermentation state of the fermentation medium using the ultrasonic propagation time in the fermentation medium, and controlling the intensity of the ultrasonic wave irradiating the fermentation medium and ON / OFF of irradiation / non-irradiation based on 2) above An object of the present invention is to provide a method and apparatus for detecting and managing a fermentation state of a fermentation medium using new ultrasonic waves capable of stably producing a fermented food by controlling the fermentation state of the fermentation medium. Is.

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)発酵媒体の発酵状態を検知する方法であって、発酵槽内に設置した超音波照射ユニット内の超音波素子から該発酵槽内の発酵媒体に照射した超音波が、該超音波を反射する発酵槽内壁又は該発酵槽内に配設した反射体で反射して、その反射波を上記超音波素子で受信するまでに要する時間である超音波伝搬時間を、該超音波素子における受信信号の自己相関関数のピーク位置を求めることにより計測し、その超音波伝搬時間に基づき、あるいは、超音波伝搬時間に発酵媒体の温度の影響による補正を加えた値に基づき、発酵媒体の発酵状態を検知することを特徴とする方法。
(2)超音波の反射波の信号の自己相関関数のピークを求め、更にそのピーク位置を内挿することにより補間し、超音波伝搬時間を計測する、前記(1)に記載の方法。
(3)超音波素子の近傍に設置した温度センサにより発酵媒体の温度を計測し、該温度センサによる温度データを用いて、超音波伝搬時間に補正を加えることによって、温度の変動の影響を受けない計測を行う、前記(1)又は(2)に記載の方法。
(4)前記(1)から(3)のいずれかに記載の方法により発酵媒体の発酵状態を検知し、その結果に基づき、超音波照射の照射・非照射の切り替え及び/又は超音波の照射強度を制御することにより、発酵媒体の発酵状態を管理する方法。
(5)発酵媒体に超音波を照射して超音波伝搬時間を計測し、発酵状態を検知し、その後、発酵状態の検知結果に応じて、超音波の照射・非照射のいずれかを選択し、その後、超音波伝搬時間を計測し、上記のサイクルを続けて、発酵媒体の発酵速度を制御する、前記(1)から(4)のいずれかに記載の方法。
(6)発酵槽、該発酵槽内に回転自在に設置される超音波素子ユニット、該超音波素子ユニットを複数個連結して回転軸化した連結ユニット構造を有する超音波照射ユニットを備え、上記超音波照射ユニットによる超音波回転照射により、発酵槽内の発酵媒体に均一に超音波を照射するようにした装置。
(7)超音波照射ユニットに固定した反射板、及び/又は液面検知センサを有する、前記(6)に記載の装置。
(8)超音波素子ユニットを複数個連結して回転軸化した連結ユニット構造において、各超音波素子ユニットの超音波素子の面が任意の方向に位置して直列接続により連結している、前記(6)に記載の装置。
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A way you detect the fermentation conditions of the fermentation medium, the ultrasonic waves irradiated from the ultrasonic element to the fermentation medium of the fermentation tank in the ultrasonic irradiation unit installed in the fermentation tank is, ultra The ultrasonic wave propagation time, which is the time required for reflecting the reflected wave by the ultrasonic element reflected by the inner wall of the fermenter that reflects the sound wave or the reflector disposed in the fermenter, is received by the ultrasonic element. Measured by obtaining the peak position of the autocorrelation function of the received signal at, and based on the ultrasonic propagation time or based on the value obtained by adding the correction due to the temperature of the fermentation medium to the ultrasonic propagation time. how you and detecting the fermentation state.
(2) The peak of the autocorrelation function of the ultrasonic reflected wave signal, further interpolated by interpolating the peak position, to measure the ultrasonic wave propagation time, method towards according to (1).
(3) By measuring the temperature of the fermentation medium with a temperature sensor installed in the vicinity of the ultrasonic element and using the temperature data from the temperature sensor to correct the ultrasonic propagation time, it is affected by temperature fluctuations. performing no measurement, methods who according to (1) or (2).
(4) The fermentation state of the fermentation medium is detected by the method according to any one of (1) to (3), and based on the result, switching between irradiation / non-irradiation of ultrasonic irradiation and / or irradiation of ultrasonic waves by controlling the intensity, how to manage the fermentation conditions of the fermentation medium.
(5) Irradiate the fermentation medium with ultrasonic waves, measure the ultrasonic propagation time, detect the fermentation state, and then select either ultrasonic irradiation or non-irradiation according to the detection result of the fermentation state , then measuring the ultrasonic wave propagation time, continuing the cycle, to control the fermentation rate of the fermentation medium, method towards according to any one of (1) to (4).
(6) A fermenter, an ultrasonic element unit rotatably installed in the fermenter, and an ultrasonic irradiation unit having a connection unit structure in which a plurality of the ultrasonic element units are connected to form a rotation axis, An apparatus that uniformly irradiates the fermentation medium in the fermenter with ultrasonic waves by ultrasonic rotation irradiation by an ultrasonic irradiation unit.
(7) The apparatus according to (6), including a reflector and / or a liquid level detection sensor fixed to the ultrasonic irradiation unit.
(8) In a connecting unit structure in which a plurality of ultrasonic element units are connected to form a rotation axis, the surfaces of the ultrasonic elements of each ultrasonic element unit are connected in series in an arbitrary direction, The apparatus as described in (6).

次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、発酵媒体の発酵状態を検知する方法を提供するものであり、発酵媒体の発酵状態を検知する方法であって、発酵槽内に設置した超音波照射ユニット内の超音波素子から該発酵槽内の発酵媒体に照射した超音波が、該超音波を反射する発酵槽内壁又は該発酵槽内に配設した反射体で反射して、その反射波の信号を上記超音波素子で受信するまでに要する時間である超音波伝搬時間を、該超音波素子における受信信号の自己相関関数のピーク位置を求めることにより計測し、その超音波伝搬時間に基づき、あるいは、超音波伝搬時間に発酵媒体の温度の影響による補正を加えた値に基づき、発酵媒体の発酵状態を検知すること、を特徴とするものである。
Next, the present invention will be described in more detail.
The present invention is to provide a way you detect the fermentation conditions of the fermentation medium, a way you detect the fermentation conditions of the fermentation medium, ultra in ultrasonic irradiation unit installed in the fermentation tank The ultrasonic wave applied to the fermentation medium in the fermenter from the acoustic wave element is reflected by the inner wall of the fermenter that reflects the ultrasonic wave or the reflector disposed in the fermenter, and the reflected wave signal is reflected by the ultrasonic wave. The ultrasonic propagation time, which is the time required for reception by the ultrasonic element, is measured by obtaining the peak position of the autocorrelation function of the received signal in the ultrasonic element, and based on the ultrasonic propagation time, or the ultrasonic wave It is characterized in that the fermentation state of the fermentation medium is detected based on a value obtained by correcting the propagation time by the influence of the temperature of the fermentation medium.

また、本発明は、超音波の照射が可能な装置を提供するものであり、基本構成として、発酵槽、発酵装置に配設する通常の装備、該発酵槽内に回転自在に設置される超音波素子ユニット、該超音波素子ユニットを複数個連結して回転軸化した連結ユニット構造を有する超音波照射ユニットを備え、そして、任意に、液面検知センサ、超音波素子過熱防止手段(サーマルプロテクター)、超音波ノイズ防止手段などを備え、上記超音波素子ユニットによる超音波回転照射により、発酵槽内の発酵媒体に均一に超音波を照射するようにしたこと、を特徴とするものである。 Further, the present invention is to provide a equipment capable ultrasonic irradiation, as a basic configuration, the fermenter is being installed rotatably to the normal equipment, the fermentation tank be disposed fermenter And an ultrasonic irradiation unit having a connecting unit structure in which a plurality of ultrasonic element units are connected to form a rotational axis, and optionally a liquid level detection sensor, ultrasonic element overheat prevention means (thermal Protector), ultrasonic noise prevention means, etc., and ultrasonic irradiation by the ultrasonic element unit to irradiate the fermentation medium in the fermenter uniformly with ultrasonic waves. .

本発明の方法では、超音波の反射波の信号の自己相関関数のピークを求め、更にそのピーク位置を内挿することにより補間し、超音波伝搬時間を計測すること、あるいは、超音波素子の近傍に設置した温度センサにより発酵媒体の温度を計測し、該温度センサによる温度データを用いて、超音波伝搬時間に補正を加えることによって、温度の変動の影響を受けない計測を行うこと、を好ましい実施の態様としている。   In the method of the present invention, the peak of the autocorrelation function of the reflected wave signal of the ultrasonic wave is obtained and further interpolated by interpolating the peak position to measure the ultrasonic propagation time, or the ultrasonic element Measuring the temperature of the fermentation medium with a temperature sensor installed in the vicinity, and using the temperature data from the temperature sensor to correct the ultrasonic propagation time, thereby performing measurement that is not affected by temperature fluctuations. This is a preferred embodiment.

また、本発明の方法では、上記の方法により発酵媒体の発酵状態を検知し、その結果に基づき、超音波照射の照射・非照射の切り替え及び/又は超音波の照射強度を制御することにより、発酵媒体の発酵状態を管理することや、あるいは、発酵媒体に超音波を照射して超音波伝搬時間を計測し、発酵状態を検知し、その後、発酵状態の検知結果に応じて、超音波の照射・非照射のいずれかを選択し、その後、超音波伝搬時間を計測し、上記のサイクルを続けて、発酵媒体の発酵速度を制御すること、を好ましい実施の態様としている。   In the method of the present invention, the fermentation state of the fermentation medium is detected by the above method, and based on the result, switching between irradiation / non-irradiation of ultrasonic irradiation and / or controlling the irradiation intensity of ultrasonic waves, Manage the fermentation state of the fermentation medium, or irradiate the fermentation medium with ultrasonic waves, measure the ultrasonic propagation time, detect the fermentation state, and then, depending on the detection result of the fermentation state, It is a preferred embodiment to select either irradiation or non-irradiation, then measure the ultrasonic propagation time, and continue the above cycle to control the fermentation rate of the fermentation medium.

更に、本発明の装置では、超音波照射ユニットに固定した反射板、及び/又は液面検知センサを有すること、超音波素子ユニットを複数個連結して回転軸化した連結ユニット構造において、各超音波素子ユニットの超音波素子の面が任意の方向に位置して直列接続により連結していること、任意に、超音波素子加熱防止手段を備えること、を好ましい実施の態様としている。   Furthermore, the apparatus of the present invention includes a reflector and / or a liquid level detection sensor fixed to the ultrasonic irradiation unit, and a connection unit structure in which a plurality of ultrasonic element units are connected to form a rotation axis. It is a preferred embodiment that the surface of the ultrasonic element of the ultrasonic element unit is positioned in an arbitrary direction and connected by series connection, and optionally includes an ultrasonic element heating preventing means.

次に、本発明で用いる超音波照射ユニットの構造について詳しく説明する。
本発明において、超音波照射ユニットを構成する超音波照射部は、超音波素子ユニットが接続自在に構成されたユニット構造となっている。そして、該超音波素子ユニットは、発酵槽の大きさに合わせて、任意に直列接続することができ、ユニットとユニットの間隔、すなわち超音波素子の間隔は、スペーサ、例えば、図13の白色樹脂部の長さを変えることで、任意の間隔に設定することができる。
Next, the structure of the ultrasonic irradiation unit used in the present invention will be described in detail.
In the present invention, the ultrasonic irradiation unit constituting the ultrasonic irradiation unit has a unit structure in which the ultrasonic element unit can be connected. The ultrasonic element unit can be arbitrarily connected in series according to the size of the fermenter, and the interval between the units, that is, the interval between the ultrasonic elements is a spacer, for example, the white resin of FIG. An arbitrary interval can be set by changing the length of the portion.

本発明では、例えば、上記の超音波照射ユニットには、適宜、任意の形状及び構造の液面レベル検知センサを配設することができ、本液面レベル検知センサが発酵媒体を検知した場合にのみ、超音波を照射する構造とすることができる。これにより、超音波素子の破損や、無駄な電力の消費を防止することが可能となる。   In the present invention, for example, the ultrasonic wave irradiation unit can be appropriately provided with a liquid level detection sensor having an arbitrary shape and structure. When the liquid level detection sensor detects the fermentation medium, for example. Only an ultrasonic irradiation structure can be used. As a result, it is possible to prevent damage to the ultrasonic element and wasteful power consumption.

上述の直列接続された超音波照射ユニットは、回転軸となって回転するように配設することができる。また、超音波照射ユニットを直列接続させる際の各ユニット同士の角度を、任意に設定することができる。超音波素子自体の取り付け角度も任意であり、例えば、回転軸に対して垂直あるいは垂直とは限らない所定の角度で設定することができ、これらにより、発酵槽内の発酵媒体の広い範囲に超音波を照射することが可能となる。   The above-described ultrasonic irradiation units connected in series can be arranged so as to rotate as a rotation axis. Moreover, the angle between the units when the ultrasonic irradiation units are connected in series can be arbitrarily set. The attachment angle of the ultrasonic element itself is also arbitrary, and can be set, for example, at a predetermined angle that is not necessarily perpendicular or perpendicular to the rotation axis. It becomes possible to irradiate sound waves.

回転する超音波照射ユニット内の超音波素子には、ユニット最上部に回転ブラシ(図示せず)を配設して、該回転ブラシを通じて電力を供給するようにすることができる。回転ブラシの個数は任意であり、後述する超音波信号や温度信号なども該回転ブラシを通じて取得するようにすることができる。   The ultrasonic element in the rotating ultrasonic irradiation unit can be provided with a rotating brush (not shown) at the top of the unit so that electric power can be supplied through the rotating brush. The number of rotating brushes is arbitrary, and an ultrasonic signal, a temperature signal, etc., which will be described later, can also be acquired through the rotating brush.

次に、超音波を用いた発酵媒体の発酵状態の検知について詳しく説明する。
本発明では、発酵媒体中を超音波が伝搬するに要する時間を求めるが、それにより、発酵媒体の発酵状態、すなわち発酵に伴う弾性率や密度の変化などを検知することができる。具体的には、発酵槽内の発酵媒体において、超音波照射ユニット内の超音波素子から照射した超音波が、超音波を反射する物体、すなわち発酵槽の内壁や、任意の位置に配設した反射板などの反射体で反射して、その反射波を上記超音波素子で受信するまでに要する時間(超音波伝搬時間)を、該超音波素子における受信信号の自己相関関数のピーク位置を求めることにより計測することにより、発酵状態を検知することができる。なお、超音波素子と反射体との往復距離を、超音波伝搬時間で除すことにより、超音波の速度が求められることから、超音波伝搬時間を計測することは、超音波速度を計測することと同等である。
Next, detection of the fermentation state of the fermentation medium using ultrasonic waves will be described in detail.
In the present invention, the time required for the ultrasonic wave to propagate through the fermentation medium is obtained, whereby the fermentation state of the fermentation medium, that is, the change in elastic modulus and density associated with the fermentation can be detected. Specifically, in the fermentation medium in the fermenter, the ultrasonic wave irradiated from the ultrasonic element in the ultrasonic irradiation unit is disposed on an object that reflects the ultrasonic wave, that is, the inner wall of the fermenter or any position. The time required for reflection by a reflector such as a reflector and reception of the reflected wave by the ultrasonic element (ultrasonic propagation time) is obtained, and the peak position of the autocorrelation function of the received signal in the ultrasonic element is obtained. By measuring by this, the fermentation state can be detected. Since the ultrasonic velocity is obtained by dividing the reciprocating distance between the ultrasonic element and the reflector by the ultrasonic propagation time, measuring the ultrasonic propagation time measures the ultrasonic velocity. Is equivalent to that.

本発明において、上記の時間の計測は、超音波の反射波の信号の自己相関関数のピークを求め、更にそのピーク値を内挿して補間する方法により、精度良く、微小な時間の変化をも正確に捉えることが可能となる。   In the present invention, the above time measurement is performed by obtaining a peak of the autocorrelation function of the reflected wave signal of the ultrasonic wave, and further interpolating the peak value by interpolation, thereby accurately measuring a minute time change. It is possible to grasp accurately.

上記超音波素子の近傍には、適宜、温度センサを設置して、発酵媒体の温度を計測することができる。発酵媒体における超音波伝搬時間は、一般に、発酵媒体の温度によって変動するが、上記温度センサの温度データを用いて、超音波伝搬時間に補正を加えることによって、発酵媒体の温度の変動の影響を受けない計測が可能になる。また、発酵媒体の発酵状態の検知、すなわち超音波伝搬時間の計測は、複数の超音波照射ユニットのうち、一つ以上のユニットを用いて行うことができる。この場合、任意に、超音波照射ユニットに反射板などの反射体を取りつけることが可能である。   A temperature sensor can be appropriately installed in the vicinity of the ultrasonic element to measure the temperature of the fermentation medium. In general, the ultrasonic propagation time in the fermentation medium varies depending on the temperature of the fermentation medium. By using the temperature data of the temperature sensor to correct the ultrasonic propagation time, the influence of the variation in the temperature of the fermentation medium can be reduced. Measurement that is not received becomes possible. Moreover, the detection of the fermentation state of the fermentation medium, that is, the measurement of the ultrasonic propagation time can be performed using one or more units among a plurality of ultrasonic irradiation units. In this case, it is possible to arbitrarily attach a reflector such as a reflector to the ultrasonic irradiation unit.

超音波を用いた発酵媒体の発酵状態の検知結果に基づいた超音波照射の制御について説明する。
本発明では、発酵媒体の発酵状態の検知、すなわち超音波伝搬時間の計測をし、その結果に基づいて、超音波照射の照射・非照射のON・OFFを切り替えたり、超音波の照射強度を制御することができる。
Control of ultrasonic irradiation based on the detection result of the fermentation state of the fermentation medium using ultrasonic waves will be described.
In the present invention, the fermentation state of the fermentation medium is detected, that is, the ultrasonic propagation time is measured, and on the basis of the result, ON / OFF of irradiation / non-irradiation of ultrasonic irradiation is switched, or the irradiation intensity of ultrasonic waves is changed. Can be controlled.

超音波の検知に際しては、複数の超音波照射のユニットのうち、1つ以上を、例えば、10分間のうち、1分間は超音波を照射して超音波伝搬時間を計測し、発酵媒体の発酵状態を検知する。そして、その後の9分間は、発酵媒体の発酵状態の検知結果に応じて、超音波の照射・非照射のいずれかを自動的に選択する。例えば、発酵が遅れていれば、超音波の照射を選択するなどである。その後、再び、1分間、超音波伝搬時間を計測し、上記のサイクルを続ければ、発酵の進むスピードが好適ないし最適になるように超音波を照射することが可能となる。   When detecting ultrasonic waves, one or more of a plurality of ultrasonic irradiation units, for example, for 10 minutes, 1 minute is irradiated with ultrasonic waves to measure ultrasonic propagation time, and fermentation medium is fermented. Detect state. Then, for the subsequent 9 minutes, either ultrasonic irradiation or non-irradiation is automatically selected according to the detection result of the fermentation state of the fermentation medium. For example, if the fermentation is delayed, ultrasonic irradiation is selected. After that, if the ultrasonic propagation time is measured again for 1 minute and the above cycle is continued, it is possible to irradiate the ultrasonic wave so that the speed at which the fermentation proceeds is optimal or optimal.

本発明における超音波伝搬時間(すなわち超音波の音速)の解析方法の基本原理について図1により説明する。まず、パルス状の電気信号を発生させる装置、例えば、パルサーレシーバーを使用して、超音波素子を振動させ、発酵槽の発酵媒体に超音波を照射する。照射された超音波は反射体、例えば発酵槽の壁面や任意に設けた反射板、更には超音波素子で反射し、超音波素子と反射体との間を往復する。この時、往復する超音波を超音波素子で受信し、受信波を増幅器、例えばパルサーレシーバーで増幅する。このようにして得られた超音波受信波信号のピーク間の時間差をオシロスコープなどで解析することで、発酵槽における超音波伝搬時間、すなわち超音波の音速を計測することができる。   The basic principle of the ultrasonic wave propagation time (that is, the speed of sound of ultrasonic waves) in the present invention will be described with reference to FIG. First, using an apparatus that generates a pulsed electric signal, for example, a pulsar receiver, the ultrasonic element is vibrated, and the fermentation medium in the fermenter is irradiated with ultrasonic waves. The irradiated ultrasonic waves are reflected by a reflector, for example, a wall surface of a fermenter, an optional reflector, and an ultrasonic element, and reciprocate between the ultrasonic element and the reflector. At this time, the reciprocating ultrasonic wave is received by an ultrasonic element, and the received wave is amplified by an amplifier, for example, a pulsar receiver. By analyzing the time difference between the peaks of the received ultrasonic wave signal thus obtained with an oscilloscope or the like, the ultrasonic propagation time in the fermenter, that is, the speed of sound of the ultrasonic wave can be measured.

次に、自己関数を用いて超音波伝搬時間を解析する方法について図2により説明する。超音波伝搬時間を解析するに際しては、超音波受信波信号の自己相関関数を計算し、自己相関関数のピーク位置、すなわち横軸の値により、超音波伝搬時間を算出する。図2では、30.00μの位置を拡大してピーク位置を検出することができる。この場合、自己相関関数のピーク位置は、超音波受信波信号のピーク間の時間差より、正確かつ簡単に求まり、また、自己相関関数のピーク位置を内挿により補間すれば、高い時間分解能で、超音波伝搬時間を求めることができる。図2では、自己相関関数のピーク位置の近傍を2次の多項式で近似してピーク位置を補間しているが、3次以上の多項式などで近似して補間しても良い。   Next, a method for analyzing the ultrasonic propagation time using the self-function will be described with reference to FIG. In analyzing the ultrasonic propagation time, the autocorrelation function of the ultrasonic wave reception signal is calculated, and the ultrasonic propagation time is calculated from the peak position of the autocorrelation function, that is, the value on the horizontal axis. In FIG. 2, the peak position can be detected by enlarging the position of 30.00 μm. In this case, the peak position of the autocorrelation function can be obtained accurately and easily from the time difference between the peaks of the ultrasonic wave reception signal, and if the peak position of the autocorrelation function is interpolated by interpolation, the temporal position is high. The ultrasonic propagation time can be obtained. In FIG. 2, the vicinity of the peak position of the autocorrelation function is approximated by a second-order polynomial to interpolate the peak position, but may be approximated and interpolated by a third-order polynomial or the like.

次に、超音波伝搬時間と発酵との関係を図3により詳しく説明する。
超音波伝搬時間と発酵との関係をみると、図3に示されるように、発酵の指標値であるpHと、超音波伝搬時間もしくは音速の変化が類似していること、また、発酵が進むに従って、超音波伝搬時間が小さくなる(音速が速くなる)ことが分かる。このことは、超音波伝搬時間もしくは音速から発酵の進み具合を検知できることを示している。
Next, the relationship between ultrasonic propagation time and fermentation will be described in detail with reference to FIG.
Looking at the relationship between the ultrasonic propagation time and fermentation, as shown in FIG. 3, the pH, which is the index of fermentation, is similar to the change in ultrasonic propagation time or sound velocity, and the fermentation proceeds. Accordingly, it can be seen that the ultrasonic wave propagation time decreases (the sound speed increases). This indicates that the progress of fermentation can be detected from the ultrasonic propagation time or the speed of sound.

次に、超音波伝搬時間に対する温度変動の影響をみると、図4に示されるように、発酵媒体の温度の変動とともに、超音波伝搬時間も大きく変動することが分かる。このことは、このままでは超音波伝搬時間から発酵状態を正確に求められないこと、すなわち温度の影響の補正が必要であることを示唆している。   Next, when the influence of the temperature change with respect to the ultrasonic propagation time is seen, as shown in FIG. 4, it can be seen that the ultrasonic propagation time varies greatly with the temperature change of the fermentation medium. This suggests that the fermentation state cannot be accurately determined from the ultrasonic wave propagation time as it is, that is, correction of the influence of temperature is necessary.

次に、温度の影響の補正方法について、超音波振動子に温度センサを設置して、温度データにより補正する方法について、図5により説明する。超音波伝搬時間と温度との関係についてみると、図6に示されるように、温度が低下すると、超音波伝搬時間が大きくなる(音速が遅くなる)関係があるものの、直線上に完全にはフィットしないことが分かる。これは、温度センサの位置と超音波の照射位置とは厳密には一致しないため、温度波形と超音波伝搬時間波形がずれていることが原因している。   Next, referring to FIG. 5, a method for correcting the influence of temperature will be described with reference to FIG. Looking at the relationship between the ultrasonic propagation time and temperature, as shown in FIG. 6, there is a relationship that the ultrasonic propagation time increases (slows the speed of sound) when the temperature decreases, but it is completely on the straight line. It turns out that it does not fit. This is because the temperature waveform and the ultrasonic wave propagation time waveform are misaligned because the position of the temperature sensor and the ultrasonic wave irradiation position do not exactly match.

温度の影響を補正するために、超音波伝搬時間と温度の関係について、図7に示されるように、近似直線とデータの差をみるために、温度のグラフを右方向に0〜4分シフトさせてみると、2分シフトさせた場合、近似直線データとの差の絶対値の平均が最小となり、最も直線にフィットすることが分かる。ここで、2分シフトの場合、1℃温度変化すると、超音波伝搬時間は、−3.53×10−8(s)変化すること、すなわち図8に示されるように、直線の傾きは、−3.53×10−8となることが分かる。 In order to correct the influence of temperature, the relationship between the ultrasonic wave propagation time and temperature is shifted to the right by 0 to 4 minutes in order to see the difference between the approximate line and the data, as shown in FIG. It can be seen that, when shifted by 2 minutes, the average of the absolute value of the difference from the approximate straight line data becomes the smallest and fits the straight line most. Here, in the case of a 2-minute shift, when the temperature changes by 1 ° C., the ultrasonic propagation time changes by −3.53 × 10 −8 (s), that is, as shown in FIG. It can be seen that −3.53 × 10 −8 .

したがって、補正値は、以下の式で計算される。
式:補正値=超音波伝搬時間−3.53×10−8×(補正温度−2分前の温度)
補正係数は、超音波素子と温度センサの位置関係、発酵媒体の種類、発酵槽の形状や容量によって決まるので、これらが変化しない場合は、予め補正係数を求めておけばよい。また、発酵媒体の種類が定まらない場合など、予め補正係数を求められない場合でも、発酵の最中に、図8のような温度との関係を求めて、随時、補正係数を求めればよい。また、上式は1次式であるが、2次式や3次式を用いても良い。
Therefore, the correction value is calculated by the following formula.
Formula: Correction value = Ultrasonic propagation time−3.53 × 10 −8 × (correction temperature−temperature before 2 minutes)
The correction coefficient is determined by the positional relationship between the ultrasonic element and the temperature sensor, the type of fermentation medium, and the shape and capacity of the fermenter. If these do not change, the correction coefficient may be obtained in advance. Even when the correction coefficient cannot be obtained in advance, such as when the type of fermentation medium is not determined, the relationship with the temperature as shown in FIG. 8 may be obtained during the fermentation, and the correction coefficient may be obtained as needed. Moreover, although the above equation is a linear equation, a quadratic equation or a cubic equation may be used.

温度補正については、例えば、図9に示されるように、温度と超音波伝搬時間との関係は、補正後のグラフとpH測定値に類似性がみられることから、温度補正により、超音波伝搬時間から温度の影響を排除することができ、それにより、温度補正後の超音波伝搬時間から発酵媒体の発酵状態、すなわち発酵の進み具合などを検知できることが分かる。   Regarding temperature correction, for example, as shown in FIG. 9, the relationship between temperature and ultrasonic propagation time is similar to the corrected graph and pH measurement value. It can be seen that the influence of temperature can be eliminated from the time, whereby the fermentation state of the fermentation medium, that is, the progress of fermentation, etc. can be detected from the ultrasonic wave propagation time after temperature correction.

超音波反射波の受信方法について説明すると、例えば、図10に示されるように、方法1は、発酵槽内壁で超音波を反射させ、発酵槽内壁と超音波素子間の超音波伝搬時間を測定する方法である。この方法は、簡便であるが、回転軸が軸ブレする場合は測定精度が悪化し、壁面までの距離が長いと超音波の反射を受信できない場合もある。方法2は、反射板などの反射体を超音波素子ユニットに固定し、反射板に超音波を反射させ、反射板と超音波素子間の超音波伝搬時間を測定する方法である。この方法では、超音波ユニットとともに反射板を回転させる必要があるが、安定して超音波の反射波を受信できる利点がある。   For example, as shown in FIG. 10, the method 1 reflects ultrasonic waves at the inner wall of the fermenter and measures the ultrasonic propagation time between the inner wall of the fermenter and the ultrasonic element. It is a method to do. This method is simple, but the measurement accuracy is deteriorated when the rotation axis is shaken, and if the distance to the wall surface is long, reflection of ultrasonic waves may not be received. Method 2 is a method in which a reflector such as a reflector is fixed to the ultrasonic element unit, the ultrasonic wave is reflected on the reflector, and the ultrasonic propagation time between the reflector and the ultrasonic element is measured. In this method, it is necessary to rotate the reflector together with the ultrasonic unit, but there is an advantage that the reflected wave of the ultrasonic wave can be received stably.

本発明では、超音波反射波の受信方法として、上記方法1、及び上記方法2のいずれも使用することができる。本発明により、発酵槽内の発酵媒体の広い範囲に超音波を照射することができ、これにより、広範に超音波照射の効果を及ぼすことができる。pH計などを用いることなく、発酵媒体の発酵状態を検知することができ、pH計とは異なり、発酵媒体の弾性率(硬さ)や密度を直接評価することができ、計測毎の装置の洗浄や計測値の校正は不要である。また、超音波素子を回転させることにより、発酵槽内の発酵状態の分布、例えば、発酵状態の偏りの有無などを正確に知ることができる。また、水を用いた測定は不要であり、温度の変動があったとしても、正確な測定ができ、発酵状態の検知をしながら、好適な速度で発酵を進めることができる。本発明は、発酵媒体の種類に制限されることなく、当該発酵媒体の発酵状態の検知及び管理を行うための超音波照射による発酵媒体の発酵状態の検知及び管理方法とその装置に関する新技術・新製品を提供するものとして有用である。 In the present invention, any of the method 1 and the method 2 can be used as a method for receiving the reflected ultrasonic wave. By this invention, an ultrasonic wave can be irradiated to the wide range of the fermentation medium in a fermenter, and, thereby, the effect of ultrasonic irradiation can be exerted extensively. The fermentation state of the fermentation medium can be detected without using a pH meter, and unlike the pH meter, the elastic modulus (hardness) and density of the fermentation medium can be directly evaluated. No cleaning or calibration of measured values is required. Further, by rotating the ultrasonic element, it is possible to accurately know the distribution of the fermentation state in the fermenter, for example, the presence or absence of a bias in the fermentation state. Moreover, measurement using water is unnecessary, and even if there is a change in temperature, accurate measurement can be performed, and fermentation can proceed at a suitable speed while detecting the fermentation state. The present invention is not limited to the type of fermentation medium, and is a new technology relating to a method and apparatus for detecting and managing the fermentation state of a fermentation medium by ultrasonic irradiation for detecting and managing the fermentation state of the fermentation medium. It is useful for providing new products.

本発明により、次のような効果が奏される。
(1)大容量の発酵媒体に対して、超音波を照射することができ、先行技術(特許文献6など)の効果(食用微生物の増殖・代謝の促進)を大容量の発酵媒体に対して得ることができる。
(2)本発明は、様々な容量の発酵槽に適用することができ、例えば、発酵槽の大きさに応じて、装置の構成を簡単に変更することができる。
(3)発酵槽内の発酵媒体の占める割合は任意であり、例えば、満タン状態でも良いし、あるいは半分以下の量でも良く、また、発酵の過程で発酵媒体の量が変化しても良く、発酵媒体の量に応じて、超音波素子のON・OFFを制御することにより、超音波素子の破損を防ぐことができる。
(4)発酵槽内の発酵媒体の広い範囲に超音波を照射することができ、これにより、広範に超音波照射の効果を及ぼすことができる。
(5)超音波を用いて、発酵食品の発酵の状況を検知することができ、それにより、発酵状態の管理を行うことができる。
(6)pH計などを用いずに、発酵媒体の発酵状態を検知することができ、pH計とは異なり、発酵媒体の弾性率(硬さ)や密度を直接評価することができる。
(7)pH計での計測時のように、計測毎の装置の洗浄や計測値の校正は不要であり、また、超音波素子を回転させることにより、発酵槽内の発酵状態の分布、例えば、発酵状態の偏りの有無などを知ることができる。
(8)先行技術とは異なり、水を用いた測定は不要であり、また、温度の変動があったとしても、正確な測定が可能である。
(9)発酵媒体の発酵状態を検知しながら、その結果に基づいて、超音波照射のON・OFFの切り替えや、超音波の強度を制御することにより、好適ないし最適な速度で発酵を進めることができる。
The present invention has the following effects.
(1) Ultrasonic waves can be applied to a large-capacity fermentation medium, and the effects (promotion of growth and metabolism of edible microorganisms) of the prior art (Patent Document 6 etc.) can be applied to a large-capacity fermentation medium Can be obtained.
(2) The present invention can be applied to fermenters having various capacities. For example, the configuration of the apparatus can be easily changed according to the size of the fermenter.
(3) The proportion of the fermentation medium in the fermenter is arbitrary, for example, it may be in a full tank state or may be less than half, or the amount of fermentation medium may change during the fermentation process. The ultrasonic element can be prevented from being damaged by controlling ON / OFF of the ultrasonic element according to the amount of the fermentation medium.
(4) Ultrasonic waves can be irradiated to a wide range of the fermentation medium in the fermenter, and thereby the effects of ultrasonic irradiation can be exerted widely.
(5) The state of fermentation of the fermented food can be detected using ultrasonic waves, whereby the fermentation state can be managed.
(6) The fermentation state of the fermentation medium can be detected without using a pH meter or the like, and unlike the pH meter, the elastic modulus (hardness) and density of the fermentation medium can be directly evaluated.
(7) As in the measurement with a pH meter, it is not necessary to clean the apparatus or calibrate the measurement value for each measurement, and by rotating the ultrasonic element, the distribution of the fermentation state in the fermenter, for example, It is possible to know the presence or absence of fermentation state bias.
(8) Unlike the prior art, measurement using water is not necessary, and accurate measurement is possible even if there is a change in temperature.
(9) While detecting the fermentation state of the fermentation medium, based on the result, the ultrasonic irradiation is switched on and off, and the intensity of the ultrasonic wave is controlled to proceed the fermentation at a suitable or optimal speed. Can do.

超音波伝搬時間(音速)の解析方法(基本原理)を示す説明である。It is description which shows the analysis method (basic principle) of ultrasonic propagation time (sound velocity). 超音波伝搬時間の解析方法(自己相関を用いる方法)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the analysis method (method using an autocorrelation) of ultrasonic propagation time. 超音波伝搬時間と発酵との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between ultrasonic propagation time and fermentation. 温度変動時の影響を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the influence at the time of temperature fluctuation. 温度の影響の補正方法(接続図)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the correction method (connection diagram) of the influence of temperature. 温度の影響の補正方法(超音波伝搬時間と温度との関係)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the correction method (relationship between ultrasonic propagation time and temperature) of the influence of temperature. 温度の影響の補正方法(超音波伝搬時間と温度との関係)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the correction method (relationship between ultrasonic propagation time and temperature) of the influence of temperature. 温度の影響の補正方法(超音波伝搬時間と温度との関係)を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the correction method (relationship between ultrasonic propagation time and temperature) of the influence of temperature. 温度補正の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of temperature correction. 超音波反射波の受信方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the reception method of an ultrasonic reflected wave. 実施例のパイロットプラント発酵システムの写真を示す。The photograph of the pilot plant fermentation system of an Example is shown. 実施例の超音波素子ユニットと写真を示す。The ultrasonic element unit of an Example and a photograph are shown. 実施例の超音波素子を5連結して形成した軸の例を示す。The example of the axis | shaft formed by connecting the ultrasonic element of an Example 5 is shown. 実施例の超音波素子回転軸に発酵槽タンクを装着した例を示す。The example which equipped the fermenter tank with the ultrasonic element rotating shaft of an Example is shown.

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。   EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.

本実施例では、パイロットプラント発酵システムを開発した例を示す。本システムは、発酵槽タンク(容量:100リットル)、超音波素子(5個内蔵)、超音波回転照射手段、超音波素子過熱防止サーマルプロテクター、液面検知機能を具備し、超音波ノイズ防止対策として発振回路を回転軸に内蔵させた。その概要を図11に示す。   In this embodiment, an example of developing a pilot plant fermentation system is shown. This system is equipped with a fermenter tank (capacity: 100 liters), ultrasonic elements (5 built-in), ultrasonic rotation irradiation means, ultrasonic element overheat prevention thermal protector, liquid level detection function, and measures against ultrasonic noise. As a result, an oscillation circuit was built in the rotating shaft. The outline is shown in FIG.

本実施例で用いた超音波素子ユニットを、図12に示す。すなわち、本ユニットは、超音波素子(発振周波数:2.4MHz)、液面検知センサを有し、該液面センサが液面に入ると超音波出力が開始される。この超音波素子ユニットを5連結して軸を形成した例を図13に示す。   The ultrasonic element unit used in this example is shown in FIG. That is, this unit has an ultrasonic element (oscillation frequency: 2.4 MHz) and a liquid level detection sensor, and when the liquid level sensor enters the liquid level, ultrasonic output is started. FIG. 13 shows an example in which five ultrasonic element units are connected to form a shaft.

本実施例では、超音波素子(間隔:100mm)を5連結して軸形成したが、超音波素子の連結個数は任意に直列接続することができ、発酵槽の大きさに合わせて超音波素子ユニットの軸を作ることができる。また、図中、白色樹脂部の長さを変えることで素子間隔を任意に設定することができる。超音波素子回転軸に発酵槽タンクを装着した例を、図14に示す。   In this embodiment, five ultrasonic elements (interval: 100 mm) are connected to form a shaft. However, the number of ultrasonic elements connected can be arbitrarily connected in series, and the ultrasonic elements can be matched to the size of the fermenter. Unit axes can be created. In the figure, the element spacing can be arbitrarily set by changing the length of the white resin portion. FIG. 14 shows an example in which a fermenter tank is attached to the ultrasonic element rotation shaft.

発酵媒体の一例である豆乳に対して、食用微生物の一例である乳酸菌を接種して発酵させる際に本発明を適用して、乳酸菌を接種した豆乳の発酵状態の検知を行った。
本実施例では、発酵媒体の温度が変動しない条件で発酵状態の検知を実施した。
乳酸菌(Lactobacillus plantarum LB−K−2株)をMRS培地10mLで30℃、15時間、静置培養して得られた乳酸菌培養液(10cells/mL程度)を生理食塩水にて希釈し、10cells/g程度となるように豆乳(株式会社東京めいらく製有機豆乳)に接種した。
The present invention was applied to soymilk, which is an example of a fermentation medium, and inoculated with lactic acid bacteria, which is an example of edible microorganisms, and the fermentation state of soymilk inoculated with lactic acid bacteria was detected.
In this example, the fermentation state was detected under conditions where the temperature of the fermentation medium did not vary.
Lactic acid bacteria ( Lactobacillus plantarum LB-K-2 strain) obtained by stationary culture in 10 mL of MRS medium at 30 ° C. for 15 hours, diluted with lactic acid bacteria culture solution (about 10 9 cells / mL) with physiological saline, Soy milk (Organic soy milk manufactured by Tokyo Meiraku Co., Ltd.) was inoculated so as to be about 10 4 cells / g.

これをプラスチック容器に入れて恒温槽内に静置し、発酵させた。発酵槽内の温度は30℃とした。容器内には超音波素子を設置して超音波を発酵媒体内に随時照射し、超音波素子と約3.5cmの距離に設置されたステンレス製の反射板で反射した超音波を超音波素子で受信し、超音波伝搬時間、すなわち超音波素子と反射板間を超音波が往復するのに要する時間を求めた。なお、超音波伝搬時間は1分間に8回の頻度で求め、これを1分ごとに時間平均した。   This was put in a plastic container and allowed to stand in a thermostat and fermented. The temperature in the fermenter was 30 ° C. An ultrasonic element is installed in the container, and ultrasonic waves are irradiated into the fermentation medium as needed, and the ultrasonic wave reflected from the ultrasonic element and the stainless steel reflector installed at a distance of about 3.5 cm is applied to the ultrasonic element. And the ultrasonic wave propagation time, that is, the time required for the ultrasonic wave to reciprocate between the ultrasonic element and the reflecting plate was obtained. The ultrasonic wave propagation time was obtained at a frequency of 8 times per minute, and this was time averaged every minute.

この際、超音波素子にパルサーレシーバー(オリンパス Model 5800)を接続することにより、超音波素子にパルス状の電圧を印加して超音波素子からの超音波を照射するとともに、受信した超音波信号の増幅を行った。また、パルサーレシーバーとオシロスコープとを接続し、増幅した超音波受信をオシロスコープで観測した。   At this time, by connecting a pulser receiver (Olympus Model 5800) to the ultrasonic element, a pulsed voltage is applied to the ultrasonic element to irradiate the ultrasonic wave from the ultrasonic element, and the received ultrasonic signal Amplification was performed. A pulsar receiver and an oscilloscope were connected, and the amplified ultrasonic wave was observed with an oscilloscope.

更に、オシロスコープとパソコンとを接続し、オシロスコープでの観測波形をパソコン上に転送し、観測波形の自己相関関数をパソコン上で動作するソフトウェアによって計算した。次に、自己相関関数のピークの位置をパソコン上で動作するソフトウェアによって求め、更に、それを内挿により補間してピークの位置の分解能を高めた上で、超音波伝搬時間を求めた。また、比較のため、pH計を用いて、一定時間ごとにpH値の測定も行った。   Furthermore, the oscilloscope was connected to a personal computer, the observed waveform on the oscilloscope was transferred to the personal computer, and the autocorrelation function of the observed waveform was calculated by software operating on the personal computer. Next, the peak position of the autocorrelation function was obtained by software operating on a personal computer, and further interpolated by interpolation to increase the resolution of the peak position, and then the ultrasonic propagation time was obtained. For comparison, the pH value was also measured at regular intervals using a pH meter.

このようにして求めた超音波伝搬時間とpH値の関係を図3に示す。一般に、pH値から発酵の進み具合を知ることができ、本例においても時間の経過とともにpH値が低下して発酵が進んでいることが分かる。一方で、超音波伝搬時間も時間の経過ともに低下(音速が上昇)し、更に、pH値との相関も認められた。このように、図3の超音波伝搬時間とpH値の関係より、超音波伝搬時間から、発酵の進み具合を検知することができることが確認された。   FIG. 3 shows the relationship between the ultrasonic wave propagation time and the pH value thus obtained. In general, it is possible to know the progress of fermentation from the pH value, and in this example as well, it can be seen that the pH value decreases with time and the fermentation proceeds. On the other hand, the ultrasonic propagation time also decreased with the passage of time (sound speed increased), and a correlation with the pH value was also observed. Thus, it was confirmed from the relationship between the ultrasonic propagation time and the pH value in FIG. 3 that the progress of fermentation can be detected from the ultrasonic propagation time.

本実施例では、発酵媒体の温度が変動する条件で実施した。
発酵媒体の温度が変化しない条件で実施した実施例2の場合と同様に、豆乳に乳酸菌を接種して、恒温槽に静置した。ただし、発酵媒体の温度が約26.5℃を中心に約1℃の変動が生じるように、恒温槽の温度を一定時間ごとに変動させた。また、超音波素子と反射板との距離は約2.5cmとした。
In the present Example, it implemented on the conditions from which the temperature of a fermentation medium fluctuates.
In the same manner as in Example 2 performed under conditions where the temperature of the fermentation medium did not change, lactic acid bacteria were inoculated into the soy milk and left in a thermostatic bath. However, the temperature of the thermostatic bath was varied at regular intervals so that the temperature of the fermentation medium varied about 1 ° C. around about 26.5 ° C. The distance between the ultrasonic element and the reflecting plate was about 2.5 cm.

また、発酵媒体の温度が変動しない条件で実施した実施例1の場合と同様に、パルサーレシーバー、オシロスコープ、超音波素子を用い、パソコン上のソフトウェアにより超音波伝搬時間を求めた。更に、超音波素子の近傍に温度センサを設置して発酵媒体の温度を計測し、その温度信号も、随時、パソコンに集録した。また、比較のため、pH計を用いて、一定時間ごとにpH値の測定も行った。   Moreover, similarly to the case of Example 1 performed under the condition that the temperature of the fermentation medium does not fluctuate, the ultrasonic propagation time was obtained by software on a personal computer using a pulsar receiver, an oscilloscope, and an ultrasonic element. Furthermore, a temperature sensor was installed in the vicinity of the ultrasonic element to measure the temperature of the fermentation medium, and the temperature signal was also recorded on a personal computer as needed. For comparison, the pH value was also measured at regular intervals using a pH meter.

このようにして求めた超音波伝搬時間、温度、pH値の関係を図9に示す。更に、次式によって、温度の影響を補正した超音波伝搬時間も図9に示す。
式:超音波伝搬時間の温度補正値=超音波伝搬時間−3.34×10−8 ×(補正温度−超音波伝搬時間を取得した時刻の2分前の温度)
FIG. 9 shows the relationship between the ultrasonic propagation time, temperature, and pH value obtained in this way. Further, FIG. 9 also shows the ultrasonic propagation time in which the influence of temperature is corrected by the following equation.
Expression: Temperature correction value of ultrasonic propagation time = ultrasonic propagation time−3.34 × 10 −8 × (correction temperature−temperature two minutes before the time when the ultrasonic propagation time is acquired)

ここで、補正温度は28℃とした。つまり温度が28℃であった場合の、超音波伝搬時間を求めた。超音波伝搬時間の温度補正値は、時間の経過ともに低下し、更に、pH値との相関も認められた。このように、本実施例により、超音波伝搬時間の温度補正値から、発酵の進み具合を検知することができることが確認された。   Here, the correction temperature was 28 ° C. That is, the ultrasonic propagation time when the temperature was 28 ° C. was obtained. The temperature correction value of the ultrasonic propagation time decreased with time, and a correlation with the pH value was also observed. Thus, according to this example, it was confirmed that the progress of fermentation can be detected from the temperature correction value of the ultrasonic propagation time.

以上詳述した通り、本発明は、超音波照射によ発酵媒体の発酵状態を検知及び管理する方法その装置に係るものであり、本発明は、例えば、発酵槽の大きさに応じて、装置の構成を簡単に変更することができるので、様々な容量の発酵槽に適用することができる。また、発酵槽内の発酵媒体の占める割合は任意であり、例えば、満タンでも良いし、半分以下の量でも良く、また、発酵の過程で発酵媒体の量が変化しても良く、量に応じて、超音波素子のON・OFFを制御することにより、超音波素子の破損を防ぐことができる。本発明は、1)発酵槽内において小容量〜大容量の発酵媒体に超音波を均一に照射することが可能な装置、2)発酵槽内の発酵媒体における超音波伝搬時間を利用して、発酵媒体の発酵状態を検知する方法、上記2)に基づいて、発酵媒体に照射する超音波の強度やON・OFFを制御して、発酵媒体の発酵状態を管理して安定的に発酵食品を製造することが可能な新しい超音波を利用した発酵媒体の発酵状態の検知及び管理方法とその装置、を提供するものとして有用である。
As described in detail above, the present invention according to the method for detecting and managing the fermentation state of the I Ri fermentation medium to the ultrasonic irradiation and apparatus, the present invention is, for example, depending on fermenter sizes Since the configuration of the apparatus can be easily changed, it can be applied to fermenters of various capacities. Further, the proportion of the fermentation medium in the fermenter is arbitrary, for example, it may be full or less than half, and the amount of the fermentation medium may change during the fermentation process. Accordingly, the ultrasonic element can be prevented from being damaged by controlling ON / OFF of the ultrasonic element. The present invention uses 1) an apparatus capable of uniformly irradiating a small-volume to large-volume fermentation medium with ultrasonic waves in the fermenter, and 2) utilizing the ultrasonic propagation time in the fermentation medium in the fermenter, Based on the method of detecting the fermentation state of the fermentation medium, 2) above, the intensity of the ultrasonic wave irradiating the fermentation medium and ON / OFF are controlled, and the fermentation state of the fermentation medium is managed to stably produce the fermented food. The present invention is useful as a method and apparatus for detecting and managing a fermentation state of a fermentation medium using new ultrasonic waves that can be produced .

Claims (8)

発酵媒体の発酵状態を検知する方法であって、発酵槽内に設置した超音波照射ユニット内の超音波素子から該発酵槽内の発酵媒体に照射した超音波が、該超音波を反射する発酵槽内壁又は該発酵槽内に配設した反射体で反射して、その反射波を上記超音波素子で受信するまでに要する時間である超音波伝搬時間を、該超音波素子における受信信号の自己相関関数のピーク位置を求めることにより計測し、その超音波伝搬時間に基づき、あるいは、超音波伝搬時間に発酵媒体の温度の影響による補正を加えた値に基づき、発酵媒体の発酵状態を検知することを特徴とする方法。 A way you detect the fermentation conditions of the fermentation medium, the ultrasonic waves irradiated in the fermentation medium of the fermenter from the ultrasonic element in the ultrasonic irradiation unit installed in the fermentation tank is, reflecting the ultrasound The ultrasonic propagation time, which is the time required for the reflected wave to be received by the ultrasonic element after being reflected by the inner wall of the fermenter or the reflector disposed in the fermenter, is the received signal in the ultrasonic element. The fermentation state of the fermentation medium is measured based on the ultrasonic propagation time or based on the value obtained by correcting the ultrasonic propagation time by the influence of the temperature of the fermentation medium. how you and detecting. 超音波の反射波の信号の自己相関関数のピークを求め、更にそのピーク位置を内挿することにより補間し、超音波伝搬時間を計測する、請求項1に記載の方法。 The peak of the autocorrelation function of the reflected wave signal of the ultrasonic wave, further interpolated by interpolating the peak position, to measure the ultrasonic wave propagation time, methods who claim 1. 超音波素子の近傍に設置した温度センサにより発酵媒体の温度を計測し、該温度センサによる温度データを用いて、超音波伝搬時間に補正を加えることによって、温度の変動の影響を受けない計測を行う、請求項1又は2に記載の方法。 By measuring the temperature of the fermentation medium with a temperature sensor installed in the vicinity of the ultrasonic element, and correcting the ultrasonic propagation time using the temperature data from the temperature sensor, measurement that is not affected by temperature fluctuations is possible. performing, method person according to claim 1 or 2. 請求項1から3のいずれかに記載の方法により発酵媒体の発酵状態を検知し、その結果に基づき、超音波照射の照射・非照射の切り替え及び/又は超音波の照射強度を制御することにより、発酵媒体の発酵状態を管理する方法。 By detecting the fermentation state of the fermentation medium by the method according to any one of claims 1 to 3, and based on the result, switching between irradiation / non-irradiation of ultrasonic irradiation and / or controlling the irradiation intensity of ultrasonic waves , how to manage the fermentation state of fermentation media. 発酵媒体に超音波を照射して超音波伝搬時間を計測し、発酵状態を検知し、その後、発酵状態の検知結果に応じて、超音波の照射・非照射のいずれかを選択し、その後、超音波伝搬時間を計測し、上記のサイクルを続けて、発酵媒体の発酵速度を制御する、請求項1から4のいずれかに記載の方法。 Irradiate the fermentation medium with ultrasonic waves, measure the ultrasonic propagation time, detect the fermentation state, and then select either ultrasonic irradiation or non-irradiation according to the detection result of the fermentation state, measuring ultrasonic wave propagation time, continuing the cycle, to control the fermentation rate of the fermentation medium, method towards according to any one of claims 1 to 4. 発酵槽、該発酵槽内に回転自在に設置される超音波素子ユニット、該超音波素子ユニットを複数個連結して回転軸化した連結ユニット構造を有する超音波照射ユニットを備え、上記超音波照射ユニットによる超音波回転照射により、発酵槽内の発酵媒体に均一に超音波を照射するようにした装置。   A fermenter, an ultrasonic element unit rotatably installed in the fermenter, an ultrasonic irradiation unit having a connection unit structure in which a plurality of the ultrasonic element units are connected to form a rotation axis, and the ultrasonic irradiation An apparatus that uniformly irradiates the fermentation medium in the fermenter with ultrasonic waves by ultrasonic rotation irradiation by the unit. 超音波照射ユニットに固定した反射板、及び/又は液面検知センサを有する、請求項6に記載の装置。   The apparatus of Claim 6 which has a reflecting plate fixed to the ultrasonic irradiation unit, and / or a liquid level detection sensor. 超音波素子ユニットを複数個連結して回転軸化した連結ユニット構造において、各超音波素子ユニットの超音波素子の面が任意の方向に位置して直列接続により連結している、請求項6に記載の装置。   7. The connecting unit structure in which a plurality of ultrasonic element units are connected to form a rotation axis, and the surfaces of the ultrasonic elements of each ultrasonic element unit are positioned in arbitrary directions and connected in series. The device described.
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